Radar de 77 GHz para PCBs de Radar Automotriz: Enrutamiento e Integridad de Señal

La tecnología avanza rápidamente en estos días, y el radar automotriz ha pasado de operar principalmente cerca de una longitud de onda de 24 GHz a una de 77 GHz poco después de su introducción en nuevos vehículos para la detección de objetos. Cambios recientes en la regulación han permitido la transición a 77 GHz, lo que proporciona una serie de beneficios. Las longitudes de onda más cortas facilitan anchos de banda más amplios, y proporcionan mejor resolución, factores de forma de dispositivos más pequeños y mayor alcance. Esta banda justo cae entre dos bandas de absorción para el oxígeno diatómico, mientras que la banda de 24 GHz se superpone con una banda de absorción en el agua.

El uso de frecuencias más altas crea una gama de desafíos de diseño, simulación y pruebas para módulos de radar de longitud de onda de 77 GHz. Además del diseño de los módulos de radar en sí, la disposición del dispositivo, la integración en factores de forma más pequeños y la integración en el ecosistema más amplio dentro de un vehículo son todos desafíos de diseño en el largo camino hacia vehículos completamente autónomos.

Radar de Longitud de Onda de 77 GHz de Largo Alcance vs. Corto Alcance

Como describimos en una publicación anterior, los pulsos GHz modulados en frecuencia se utilizan para discriminar entre múltiples objetivos dentro del campo de visión de un sistema de radar. El uso de pulsos modulados proporciona la detección de velocidad y distancia de múltiples objetivos midiendo el desplazamiento Doppler y la frecuencia de batido con respecto a una señal de un oscilador de referencia. El uso de una antena de arreglo en fase (3 Tx y 4 Rx SFPAs) proporciona emisión direccional, permitiendo determinar el ángulo de aproximación junto con las dos cantidades mencionadas anteriormente.

Geometría del arreglo de antenas utilizado en radar de longitud de onda de 77 GHz para aplicaciones automotrices

La longitud del chirrido (medida como un rango de frecuencia) es el principal determinante de la aplicabilidad de un sistema de radar automotriz dado. El radar de largo alcance (LRR) utiliza pulsos chirp lineales de 1 GHz (de 76 a 77 GHz), mientras que el radar de corto alcance de alta resolución (SRR) tiene hasta 4 GHz de ancho de banda con pulsos chirp lineales (de 77 a 81 GHz). La dispersión de frecuencia en estos pulsos FMCW tiene el potencial de crear algunos problemas de integridad de señal y transferencia de potencia que pueden resolverse con el esquema de enrutamiento y diseño adecuado.

La tasa a la que se modula el pulso (es decir, la cantidad de tiempo requerido para barrer todo el rango de modulación) define la longitud del pulso de radar. En la formación de un pulso de radar, se utiliza una técnica muy similar al bloqueo de modo en láseres para definir activamente la longitud del pulso. Diferentes componentes de frecuencia se retrasan activamente por diferentes cantidades en el lado del transmisor.

La longitud del pulso es un factor importante que afecta la sensibilidad y el alcance útil de un sistema. Usar pulsos más cortos proporciona una mayor resolución ya que se pueden detectar de manera fiable frecuencias de batido más pequeñas y desplazamientos Doppler, pero estos pulsos más cortos son más difíciles de amplificar ya que el amplificador debe tener un ancho de banda de frecuencia más amplio. Esto es particularmente importante en el lado receptor de un módulo de radar automotriz de 77 GHz ya que la capacidad limitada de un amplificador para amplificar adecuadamente un pulso más corto distorsiona los resultados de medición. Si la medición determinada para un vehículo autónomo es incorrecta, esto podría resultar en un accidente grave. Este problema específico necesita ser abordado por diseñadores de circuitos RF; trabajar con algunas técnicas básicas de simulación analógica puede ayudar significativamente en esta área.

Enrutamiento en Sistemas de Radar de Longitud de Onda de 77 GHz

Si te dedicas al diseño de módulos SRR o LRR, hay una serie de puntos importantes a considerar. Estos puntos incluyen una estrategia de enrutamiento y puesta a tierra, así como una estrategia de diseño básico para asegurar la integridad de la señal mientras el módulo opera. La estrategia de puesta a tierra correspondiente también es importante en estos sistemas, y puede ser necesario ajustar la estrategia de puesta a tierra para acomodar la integración de un módulo de radar de 77 GHz en un sistema más grande.

La geometría de las pistas tendrá un efecto mayor en la integridad de la señal a medida que enrutás la salida analógica desde el módulo transceptor hasta tu módulo de antena. Si miras los datos sobre pérdida de inserción en diferentes configuraciones de pistas, encontrarás que las pistas microstrip tradicionales comienzan a tener pérdidas mucho mayores que las guías de onda coplanares con tierra a frecuencias entre ~30 y ~45 GHz. 

Comparación entre la pérdida de inserción en microstrips y guía de onda coplanar con tierra de Rogers Corp.

Para mantener los factores de forma pequeños, las antenas Tx y Rx normalmente se colocan en la misma placa. Aquí es donde se requiere cierta aislación para asegurar que el lado Tx no interfiera con el lado Rx mientras emite un pulso de radar. Las guías de onda coplanares con tierra proporcionan una excelente aislación sin requerir métodos de blindaje adicionales. Debido a que la corriente tiende a estar confinada en el borde del conductor central en una guía de onda coplanar con tierra, esto ayuda a suprimir productos de intermodulación y armónicos que pueden surgir en otras estructuras con conductores rugosos.

Estos aspectos hacen que la guía de onda coplanar con tierra sea ideal para trazar rutas en sistemas de radar de 77 GHz de longitud de onda para vehículos, además de muchas otras aplicaciones. Tenga en cuenta que necesitará optimizar estas guías de onda para que funcionen a 77 GHz, lo cual será una función del grosor de su placa (ver más abajo).

¿Placa única o múltiples placas?

En general, las placas para radar automotriz de 77 GHz son muy pequeñas, y el uso de guías de onda coplanares con tierra puede prevenir la inclusión de un módulo transceptor en la placa, dependiendo de su tamaño. Si el transceptor aparece en la misma placa que el arreglo de antenas, el plano de tierra RF debería extenderse debajo del transceptor y correr justo más allá del borde de tus antenas. Si el transceptor y otros circuitos ocupan demasiado espacio, entonces pueden colocarse en su propia placa.

Esto se hace de hecho en algunos sistemas de radar de longitud de onda de 77 GHz disponibles comercialmente. La placa con las antenas se coloca sobre un cerámico o laminado de alta frecuencia (por ejemplo, sustratos de Isola o Rogers), mientras que el transceptor y otros circuitos de acondicionamiento y procesamiento de señales se colocan en FR4 o un sustrato similar. Dado que la longitud de onda operativa para la señal de radar automotriz de 77 GHz será de solo unos 4 mm en el espacio libre (~1 mm en FR4), el grosor de tus capas debería ser lo más delgado posible (idealmente, entre una octava y una cuarta parte de la longitud de onda) para suprimir la resonancia entre elementos conductivos en diferentes capas.

En este punto, necesitarás determinar la mejor manera de conectar una línea de alta frecuencia al módulo de la antena. La longitud de tu interconexión debe ser lo más corta posible, aunque a estas frecuencias tus interconexiones se comportarán como líneas de transmisión. Esto requiere una terminación adecuada en cada extremo de la interconexión, y al menos un camino de retorno debe ser trazado a través del conductor para proporcionar un camino de retorno para las señales de alta frecuencia.

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